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ARTILES-WALKER | H A y F | 6 de Diciembre de 2019 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS HIDRÁULICA AGRÍCOLA Y FLUVIAL Alumnos: -Artiles, Jonathan. -Walker, Diego. Docentes de cátedra: -Dr. Ing. Serra, Juan. -Ing. Diáz Fárias, Carlos. -Dr. Ing. Brandisi, Laura. -Dr. Ing. Kaless, Gabriel. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 1 Introducción En el presente informe se realizarán los análisis correspondientes al transporte de sedimentos de un cauce fluvial efímero en la zona de Tir Halen y Armanino, su ubicación se puede apreciar en la siguiente imagen, En rojo y amarillo se pueden apreciar las delimitaciones de cuencas, mientras que la red de drenaje se puede apreciar en color azul. Descripción morfológica Las características morfológicas del lecho son, escurrimiento no confinado, Sinuoso con barras laterales. Los sedimentos predominantes son en su mayoría arenas con zonas de acorazamientos de gravas. La configuración de fondo es RIFFLE / POOL sin control de fondo. Un esquema planimétrico sería como el que se muestra a continuación, Mientras que uno transversal sería como el siguiente esquema, Para las dimensiones del lecho se analizarán con mayor precisión en las siguientes secciones del informe, en la parte de “Topografía”. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 2 En las siguientes imágenes podemos apreciar un tramo de curva en Tir Halen, con y sin caudal, TYR HALEN- TRAMO DE CURVA Para la realización de los estudios necesitaremos apoyarnos en los marcos teóricos siguientes, • Densidad de los sedimentos • Tamaño del sedimento y transporte sólido • Mecánica del transporte en suspensión • Mecánica del transporte de fondo Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 3 Densidad de los sedimentos Nomenclatura: ρ = densidad del agua ρs = densidad del sedimento s = ρ / ρs = densidad relativa del sedimento R = (ρ / ρs) – 1 = densidad relativa sumergida del sedimento Por defecto se emplea la densidad del cuarzo: ρs = 2650 gr/dm Y entonces: s = 2.65 R = 1.65 Para otros tipos de rocas se tiene: basalto s = 2.7 a 2.9; piedra caliza s = 2.6 a 2.8. Rocas que contienen minerales pesados tales como magnetita pueden tener pesos específicos más altos, entre 3 y 5. Granulometría Para la determinación del tamaño de sedimentos se realizaron mediciones in situ con la utilización de un Gravelómetro, dichos resultados se pueden apreciar en los gráficos próximos del informe. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 4 Inicio del movimiento: agua en reposo Un talud con un ángulo igual a φ, el “ángulo de reposo” se encuentra en un estado crítico de estabilidad: condición límite o “threshold”. Fuerzas que actúan: Inicio del movimiento: agua en movimiento Suposiciones: -Material uniforme – no cohesivo -Fondo horizontal y plano Ahora hay que considerar la fuerza hidrodinámica (Fh): arrastre y sustentación Componente de sustentación: 𝐹𝐿 ∝ 𝐶𝐿𝐷2𝑈2 Arrastre: 𝐹𝐷 = 𝜏 (𝜋𝐷24 ) ∝ 𝐶𝐿𝐷2𝑈2 Algunas definiciones: Esfuerzo de corte en el fondo: 𝜏 = 𝛾. ℎ . 𝑆 h : tirante del escurrimiento, S : pendiente Velocidad de corte: 𝑢∗ = √𝜏 𝜌⁄ Parámetro de Shields: 𝜏 = 𝜏𝛾. 𝑅 . 𝐷 Y planteando el equilibrio de fuerzas: Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 5 Topografía En la zona de Armanino para la determinación de las características geométricas del lecho, como lo son la pendiente longitudinal y el ancho del mismo, como se muestran en las siguientes imágenes, se realizaron mediciones con nivel y mira, donde dichos resultados se podrán observar más adelante, Para la zona de Tir Halen las mediciones fueron realizadas mediante la utilización de GPS, Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 6 En las siguientes tres imágenes se realizó una descripción panorámica de TYR HALEN- Aguas Abajo del TRAMO DE CURVA descripto anteriormente con y sin caudal. Podemos identificar a continuación dos terrazas a diferentes niveles, junto con la planicie de inundación y el cauce principal y secundario, T I T I T II T II T II CP CP CS CS P I P I CS Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 7 Ejercicio: • Determinar la curva granulométrica, tramo final del Ao Armanino (grid-by-number). • ¿Es estable el lecho de gravas de dicho tramo? ¿De dónde proviene ese material? • Evaluar el inicio del movimiento para distintos tamaños de sedimentos – Tramo Tir Halen • Representar resultados en el ábaco de Shields. Desarrollo Parámetros geométricos del cauce zona Armanino, Sección 1 Sección 2 De los anteriores análisis podemos determinar aproximadamente los valores del ancho “b” y la pendiente “S” del cauce. Determinación de los tamaños de sedimento por clase, Tyr Halen- M2- (Vidal, Howells) T de malla Peso retenido Frec Parcial (%) P. Ret. Acum %P. Ret. Ac. % Pasa 50.8 0 0 0 0 100 38.1 145.1 3.8 145.1 4 96 25.4 631.7 16.4 776.8 20 80 19.05 662.5 17.2 1439.3 37 63 12.7 1148.4 29.9 2587.7 67 33 9.525 477.1 12.4 3064.8 80 20 6.35 534.5 13.9 3599.3 94 6 4.76 127.5 3.3 3726.8 97 3 2.38 113.8 3.0 3840.6 100 0 0 0.5 1 1.5 2 0.0 20.0 40.0 Transversal y = -0.0061x + 1.2479 0.6 1.1 1.6 -50.0 -30.0 -10.0 10.0 30.0 50.0 70.0 90.0 110.0 Longitudinal 0 1 2 3 -15.0 -5.0 5.0 15.0 25.0 Transversal y = -0.0036x + 1.3639 1.2 1.4 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 Longitudinal Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 8 En el gráfico podemos apreciar la granulometría del fondo. 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 Fr ec u en ci a P ar ci al ( % ) Tamaño de Malla (mm) Mezcla 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 F re cu en ci a A cu m u la d a (% ) Tamaño de Malla (mm) Curva Granulométrica- Mezcla Armanino- M2 (Kaless) T malla Peso ret frec Parcial frec acum 50.80 0.00 0.00 100.00 38.10 168.60 2.42 97.58 25.40 208.90 3.00 94.59 19.05 402.50 5.77 88.82 12.70 599.80 8.60 80.22 9.53 451.00 6.47 73.75 6.35 633.30 9.08 64.67 4.00 350.90 5.03 59.64 2.00 640.24 9.18 50.46 1.19 295.95 4.24 46.22 0.60 998.10 14.31 31.90 0.30 1403.44 20.12 11.78 0.15 640.24 9.18 2.60 0.07 181.47 2.60 0.00 6974.44 100.00 Mezcla Granulométrica - Tyr Harmanino - M2'- (Artiles, Walker) T malla Peso ret frec Parcial frec acum 50.80 0.0 0.00 100.00 38.10 313.7 2.90 97.10 25.40 840.6 7.77 89.33 19.05 1065.0 9.85 79.48 12.70 1748.2 16.16 63.31 9.53 928.1 8.58 54.73 6.35 1167.8 10.80 43.94 4.00 478.4 4.42 39.51 2.00 754.0 6.97 32.54 1.19 296.0 2.74 29.80 0.60 998.1 9.23 20.57 0.30 1403.4 12.98 7.60 0.15 640.2 5.92 1.68 0.07 181.51.68 0 Total 10815.0 100.00 Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 9 • ¿Es estable el lecho de gravas de dicho tramo? ¿De dónde proviene ese material? • Evaluar el inicio del movimiento para distintos tamaños de sedimentos – Tramo Tir Halen • Representar resultados en el ábaco de Shields. A continuación realizaremos un análisis aproximado con los parametros obtenidos, para analizar el inicio de movimieto de los sedimentos de diferentes tamaños y distintos caudales, D50 [mm] Q [m3/seg] 10 1 20 1 30 1 50 1 70 1 100 1 10 5 20 5 30 5 50 5 70 5 100 5 10 15 20 15 30 15 50 15 70 15 100 15 10 40 20 40 30 40 50 40 70 40 100 40 Podemos apreciar del grafico anterior, que para diferentes tamaños de sedimentos tendrán diferentes inicios de movimientos según distintos caudales, por ejemplo para un tamaño de 50mm, para caudales menores a 5 m3/seg, no habrá movimiento, mientras que para un caudal extraordinario como lo es 40 m3/seg, prácticamente todos los tamaños de sedimentos se encuentran por encima del umbral del inicio de movimiento. Como conclusión parcial podemos decir que para caudales regulares el tamaño de sedimentos que es capaz de transportar el cauce no supera los 70mm, por lo tanto tamaños de sedimentos mayores a éste valor no pueden tener orígenes de grandes distancias, lo que quiere decir que provienen de la desestabilización de las terrazas laterales del cauce. 0.01 0.10 1.00 10 100 1000 10000 100000 T *c Rep Ábaco de Shields 5 0 m m 3 0 m m 2 0 m m 1 0 m m 7 0 m m 1 0 0 m m Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 10 En la siguiente parte del informe detallaremos como determinar el caudal de sedimentos en m3/min, realizando comparaciones para diferentes tirantes y viendo las curvas granulométricas de transporte de sedimento, La planilla siguiente se armó con los diámetros de cada clase distinguiendo entre superior e inferior, luego calculando la media geométrica procedemos a calcular las siguientes expresiones, Dinf Dsup ψinf ψsup ψi Di fi ψi*fi b φ Wi q i (m2/s) Qi (m3/seg) F s i [%] F s Acum [%] 38.10 50.80 5.25 5.67 5.46 43.99 0.03 0.16 0.69 14.21 4.14 0.0002 0.0019 1.6 100.0 25.40 38.10 4.67 5.25 4.96 31.11 0.08 0.39 0.69 18.11 4.85 0.0007 0.0059 5.0 98.4 19.05 25.40 4.25 4.67 4.46 22.00 0.10 0.44 0.67 23.57 5.60 0.0011 0.0087 7.4 93.4 12.70 19.05 3.67 4.25 3.96 15.55 0.16 0.64 0.62 31.95 6.45 0.0021 0.0164 13.9 86.0 9.53 12.70 3.25 3.67 3.46 11.00 0.09 0.30 0.52 43.63 7.28 0.0012 0.0098 8.3 72.1 6.35 9.53 2.67 3.25 2.96 7.78 0.11 0.32 0.40 55.88 7.89 0.0017 0.0134 11.4 63.8 4.00 6.35 2.00 2.67 2.33 5.04 0.04 0.10 0.29 67.72 8.34 0.0007 0.0058 4.9 52.5 2.00 4.00 1.00 2.00 1.50 2.83 0.07 0.10 0.21 77.46 8.65 0.0012 0.0095 8.0 47.5 1.19 2.00 0.25 1.00 0.63 1.54 0.03 0.02 0.17 84.30 8.83 0.0005 0.0038 3.2 39.5 0.60 1.19 -0.75 0.25 -0.25 0.84 0.09 -0.02 0.15 90.33 8.98 0.0016 0.0130 11.0 36.3 0.30 0.60 -1.75 -0.75 -1.25 0.42 0.13 -0.16 0.14 97.52 9.13 0.0023 0.0187 15.8 25.2 0.15 0.30 -2.75 -1.75 -2.25 0.21 0.06 -0.13 0.13 105.47 9.29 0.0011 0.0087 7.3 9.4 0.074 0.15 -3.76 -2.75 -3.25 0.11 0.02 -0.05 0.13 114.41 9.45 0.0003 0.0025 2.1 2.1 1.00 2.09 4.26 [mm] 0.12 Vol de sed por seg % arena 0.33 Dg 7.1 por min La media geométrica es de 4,26mm, y con las demás expresiones se llega a un caudal de transporte solido de 7,1m3/seg. Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Facultad de Ingeniería – Cátedra de Hidráulica Agrícola y Fluvial ALUMNOS: ARTILES-WALKER. PÁGINA 11 La anterior tabla se calculó para las siguientes características hidráulicas de la sección de Tir Halen, b = 5.25 [m] m = 30 grados h = 0.3 m Área = 1.73 [m2] Perim moj = 6.45 [m] R h = 0.27 [m] Pendiente S = 0.0027 [m/m] tau = 7.5 u* = 0.084 [m/s] En la siguiente gráfica podemos observar las granulometrías de los sedimentos transportados para el tirante de 0,3m y para 1,0m, en donde observamos que a medida que el tirante aumenta, aumenta el esfuerzo de corte, lo que conlleva a aumentar los el tamaño de sedimento transportado, aproximándose a la granulometría del fondo. Para un determinado tirante, la granulometría podría ser la misma que la del fondo, lo que quiere decir que todos los sedimentos serían transportados, esto sería en una gran crecida extraordinaria que produciría importantes variaciones en el fondo del cauce. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 F re cu en ci a A cu m u la d a (% ) Tamaño de Malla (mm) Curva Granulométrica- Mezcla Granul Fondo 0.3 1
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